Novel nonlinear optical platforms for advanced materials
- Reference number
- FFL24-0144
- Project leader
- Viotti, Anne-Lise
- Start and end dates
- 250801-300731
- Amount granted
- 15 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lunds tekniska högskola
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Interaction of light with matter is at the core of the functionalization of nanometer scale devices relying on ultrafast electronic processes to enhance solar light harvesting or computing power. To understand how nanostructured materials behave and how their design can be improved, advanced characterization is crucial. To simultaneously achieve high spatial and temporal resolution, photoemission electron microscopy is performed under ultrafast light excitation. In standard laboratory settings, this method faces difficult challenges: a) space charge effect leading to long acquisition times and poor image quality; b) complex and inefficient generation of ultrashort laser pulses; c) limited tunability of the light frequency for element selectivity. In contrast to large facilities like Free Electron Lasers, the proposed project will provide a compact optical platform for time- and spatially-resolved experiments. The objectives are 1) to perform pulse post-compression of high repetition rate industrial femtosecond lasers; 2) to spectrally shape laser fields via ultrafast nonlinear optics; 3) to tune the excitation light wavelength down to the extreme ultraviolet range via high harmonic generation. Successful accomplishment of the objectives will lead to a tabletop electron microscopy experiment with unprecedented time, spatial resolution and chemical sensitivity. The project promises a technological transition revolutionizing compact ultrashort pulse and XUV light generation.
Popular science description
Forskare har under många år framgångsrikt manipulerat material för att tillverka strukturer med extremt små storlekar, i nanometerskalan (10-9 meter). Miniatyrisering av transistorer, de grundläggande byggstenarna i våra datorer och smartphones, gör det möjligt att skapa mycket kraftfulla datachips i storleken av en fingernagel. Vissa nanostrukturer interagerar med ljus på överraskande sätt. Exempelvis absorberar tunna halvledarnålar, även kallade nanotrådar, effektivt solljus och omvandlar det till elektrisk energi. Framtida solceller som använder dessa avancerade enheter förväntas överträffa effektiviteten hos dagens kommersialiserade solpaneler. Andra typer av strukturer är utformade för att koncentrera ljuset till de allra minsta ytorna. En sådan anordning kan användas inom sjukvården som en icke-invasiv sensor och för detecktion av enstaka molekyler. Naturligtvis ställs forskarna inför flera utmaningar när de studerar nanostrukturer. För det första kan de inte ta bilder med ett konventionellt ljusmikroskop eftersom optisk diffraktion begränsar den spatiala upplösningen. Istället måste de använda elektroner som frigörs från nanostrukturernas yta för att skapa bilder. Dessutom sker många av de processer som de vill undersöka på mycket snabba tidsskalor, inom några femtosekunder (10-15 sekunder). Det enda sättet att ta ögonblicksbilder av dessa händelser är att använda laserpulser med femtosekunders varaktighet, som fungerar som en kamerablixt. Slutligen kan vissa av de ultrasnabba processerna i specifika material bara utlösas om ljuset har tillräckligt hög energi, eller med andra ord, en mycket kort våglängd inom det extremt ultravioletta området. Det föreslagna projektet kommer att kombinera forskningsområdena ultrasnabba lasrar, icke-linjär optik, atomfysik och materialvetenskap för att realisera en kompakt och effektiv ljuskälla för fotoemissionselektronmikroskopiska experiment på nanometer- och femtosekundskalan. Industriella lasersystem med hög effekt kommer att uttnyttjas, och ljuset kommer att manipuleras tidsmässigt och spektralt för att fungera på de snabbaste tidsskalorna och möjliggöra kemisk känslighet i de undersökta materialen. Ett förväntat experiment är spridningen av ett lokalt skapat elektriskt fält på ytan av en nanotråd bestående av material med olika egenskaper.